Entwickeln von Sendern und Empfängern Die Reichweite maximieren

Die Leistung der drahtlosen Systemen sind von dem Übertragungspfad und Leistungsübertragungsbilanz abhängig.
Die Leistung der drahtlosen Systemen sind von dem Übertragungspfad und Leistungsübertragungsbilanz abhängig.

Entwickler von Funkkommunikationssystemen müssen zu Beginn der Entwicklung wissen, über welche Distanz Informationen übertragen werden sollen. Da die Sendeleistung nicht beliebig erhöht werden kann, muss der komplette Übertragungspfad und die Leistungsübertragungsbilanz genau betrachtet werden.

Die längste Distanz, die jemals durch eine von der Menschheit geschaffene Funkverbindung überbrückt wurde, besteht zwischen der Raumsonde NASA/JPL Voyager 1 und der 70 m großen Parabolantenne DSS14 im Goldstone Observatorium in der Mojave-Wüste im Süden Kaliforniens. Die Antennenanlage ist Teil des Deep Space Network (DSN), einem weltumspannenden Netz von Antennenstationen zur Kommunikation mit Raumsonden und Satelliten.

Voyager 1 wurde im September 1977 gestartet und befindet sich seit mehr als 41 Jahren auf einer erweiterten wissenschaftlichen Mission. Inzwischen ist die Sonde über 21,5 Mrd. km von der Erde entfernt. Doch selbst bei dieser enormen Entfernung zwischen dem Sender der Sonde und dem Empfänger auf der Erde unterscheidet sich die Herangehensweise zur Ermittlung der Leistungsübertragungsbilanz nicht wesentlich von der einer Kurzstreckenfunkverbindung (SRD, Short Range Devices) auf der Erde.

Blick auf die Sendestufe

Der erste Schritt zur Optimierung der Leistungsübertragungsbilanz beginnt mit dem Sender. Zur Ermittlung der effektiven Strahlungsleistung eines Funksystems werden von der Sendeleistung am Ausgang des Leistungsverstärkers alle Verbindungs- und Filterverluste abgezogen. Dann muss noch der Antennengewinn oder -verlust einbezogen werden. Dieser Gewinn wird in der Einheit dBi als Leistungsverhältnis bezogen auf eine ideale isotrope Antenne angegeben. Auf der Voyager 1 beträgt die Leistung des Sendeverstärkers ca. 12,6 W (41 dBm). Zu berücksichtigen sind nur minimale Verluste von 0,1 dB durch Fehler der Antennenausrichtung, keine Verluste durch Verbindungsleitungen. Die Parabolantenne der Raumsonde, mit einem Durchmesser von 3,66 m, die auf unseren Heimatplaneten ausgerichtet ist, hat einen Gewinn von 48 dBi. Die gesamte effektive Strahlungsleistung (äquivalente isotrope Strahlungsleistung – EIRP, Equivalent Isotropic Radiated Power) des Senders der Voyager-1-Sonde beträgt folglich beachtliche 89 dBm.

Im Vergleich zu Voyager 1 ist die typische Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers eines SRD-Senders mit 10 dBm (0,01 W) deutlich geringer. Die Verbindungen und Filter am Ausgang der Sendeschaltung, die üblicherweise benötigt werden, um regulatorische Vorgaben zur Vermeidung von Störungen in Nachbarkanälen zu erfüllen, reduzieren die Ausgangsleistung typischerweise um etwa 2 dB. Kombiniert mit einer für SRD-Anwendungen typischen kleinen, omnidirektionalen Antenne, die mit einem Verlust von etwa 10 dBi bis 15 dBi oder noch schlechter abstrahlt, ergibt sich für ein Endgerät eine effektive Gesamtstrahlungsleistung (EIRP) von ca. –7 dBm.

Bei der Schätzung der Reichweite oder der Bestimmung der Reserven einer Funkverbindung muss der Entwickler als nächstes alle physikalischen Aspekte berücksichtigen, die im Übertragungspfad auftreten. Dazu gehören die isotrope Verbreitung des Funksignals (Bild 1), die effektive Antennenfläche (frequenzabhängig), Polaritätsverluste (Antennenausrichtung) und Phasenverluste durch Mehrwegreflexionen.

Mit zunehmendem Abstand d zwischen Sender und Empfänger sinkt die Leistung am Empfänger um den Faktor 1/d2. Dies ist ein physikalisches Gesetz der Strahlungsleistung einer Punktquelle. Diese Leistung verteilt sich auf die Oberfläche einer Kugel, die entsprechend der Formel 4πr2 mit r2 zunimmt.
Neben dem grundsätzlichen Leistungsverlust über die Entfernung treten Leistungsverluste auf, die auf die Wellenlänge des übertragenen Signals und die Wirkflächen der Sende- und Empfangsantennen zurückzuführen sind. Die effektive Antennenfläche wird mit G x λ2/4π angegeben.

Diese beiden Aspekte, mit den Verstärkungsfaktoren der Antennen kombiniert, sind Teil der grundlegenden HF-Kommunikationsformel, die als allgemeine Friis-Formel bekannt ist.

Dämpfung im Übertragungskanal

Eine weitere Dämpfung, die bei der terrestrischen Funkkommunikation eher auftritt als bei der Kommunikation im Weltraum, ist die Dämpfung durch Mehrwegereflexion an einem unvermeidbaren Körper – der Erde (Bild 2). Dieser Verlust kann bei kostengünstigen, einfachen Antennensystemen, die in den meisten SRD-Anwendungen zu finden sind, beträchtlich werden. Das Konzept und die Mathematik hinter diesem Effekt werden in einer Maxim Application Note [1] behandelt.

Ein 2002 veröffentlichter Artikel über das Voyager-Telekommunikationssystem enthält eine Berechnung zur Leistungsüber-tragungsbilanz für die Übertragungsrichtung Sonde-Erde der Voyager 2 [2]. Mit Entfernung = 7,273 × 109 km und Frequenz = 8.415 MHz kann die Freiraumdämpfung auch mit Maxims Link-Budget-Tabellenkalkulation [3] berechnet und mit dem Ergebnis der NASA verglichen werden. Wie erwartet, korreliert das Ergebnis der NASA von –308,2 dB mit den Ergebnissen der Beispielrechnung der Leistungsübertragungsbilanz.

Da die Voyager-Sonden zirkular polarisierte Signale senden, wird Dämpfung durch Mehrwegesignale vermieden, die bei den einfachen SRD-Anwendungen auf der Erde häufig auftritt. Ebenso gibt es keine Hindernisse zwischen dem Radioteleskop auf der Erde und der Sonde im Weltraum, solange Südkalifornien der Voyager 1 zugewandt ist. Kombiniert man die 89 dBm Sendeleistung von Voyager 1 und die 308 dB Kanalverlust, bleiben noch –219 dBm empfangene Signalstärke (RSS, Receive Signal Strength) hier auf der Erde.

Entwickler von Funksystemen können die Link-Budget-Kalkulationstabelle von Maxim auf die Kommunikation mit Raumsonden wie den Voyager-Sonden oder eine terrestrische Funkübertragung anwenden, um mehrere nützliche Kriterien wie Empfängerempfindlichkeit oder geschätzte Reichweite zu ermitteln. Ein Beispiel: Bei einer Funkübertragung im Haus mit der üblichen ISM-Frequenz von 433,92 MHz und einer Soll-Distanz von 100 m kann mit der Tabelle von Maxim [3] die Signalstärke am Empfänger berechnet werden. Ausgehend von der zuvor beschriebenen

Sendeleistung (–7 dBm) errechnet sich ein Leistungsverlust von ca. 65 dB durch Freiraumdämpfung. Die Dämpfung durch Reflexionen und Mehrwegesignale beträgt weitere 18 dB und durch die Einbeziehung von drei üblichen Hindernissen: –13 dB für die Dämpfung durch eine dicke und zwei dünne Wände in einem Haus, berechnet sich die Signalstärke an der Empfängerantenne auf etwa –103 dBm. Dieser Wert ist für einen durchschnittlichen HF-Ingenieur viel besser handhabbar als die –219 dBm an der Goldstone-Antenne.